1、白石格隧道岩爆防治措施摘要：岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的岩爆发生时，岩体中积聚的能量突然释放导致岩石破坏，并将破碎岩石弹射出来，造成掌子面附近的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，是岩土工程界仍未解决的世界难题。因此探讨如何有效防治岩爆，确保施工人员与设备的安全是必须解决的重要课题。本文首先对隧道岩爆的控制措施进行了总结和分析，在此基础上以白石格隧道为实例，分析了白石格隧道岩爆工程措施，重点采用数值模拟方法研究了喷锚支护措施对减弱或防治岩爆的效果，并对不同锚杆长度和间距的防治效果进行了对比分析。
2、结果表明：采用喷锚支护可以有效降低岩爆的烈度；采用间距 1m，长度 3m 的锚杆进行喷锚支护最为经济有效。 关键词：白石格隧道;岩爆;防治;喷锚支护 中图分类号： U45 文献标识码： A 前言: 岩爆，也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的岩爆发生时，岩体中积聚的能量突然释放导致岩石破坏，并将破碎岩石弹射出来，造成掌子面附近的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，是岩土工程界仍未解决的世界难题。因此如何有效防治岩爆，确保施工人员与设备的安全是必须解决的重要课题。白石格隧道为沈海复线仙游至金淘高
3、速公路 A2 合同段的控制性工程之一，位于福建省泉州市罗溪镇乌石村，左洞起止里程 ZK120+210.704-ZK122+590，长度 2379.296m，右洞起止里程 YK120+190-YK122+573，长度 2383m。隧道穿越段最大埋深约 490 米，属于埋深较大(一般埋藏深度多大于 200m)公路长隧道。隧道表层多为第四系残坡积土，下伏侏罗系南园组成凝灰熔岩及其风化层，根据该隧道设计文件知该类岩石为坚硬岩，隧道穿越的围岩以级为主（局部隧道深埋地段围岩级别为级） ，加上隧道为深埋长隧道，地应力较高，隧道开挖时有发生岩爆的可能。本文以该工程为背景，重点探讨采用喷锚支护防治岩爆的工程措施
4、，以期指导隧道施工，为类似工程提供借鉴。 1.隧道岩爆控制措施总结与分析 隧道岩爆控制措施可以归纳为以下几种。 1.1 改变围岩的整体特性 发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量把岩石破坏，并将破碎岩石抛出，因此在隧道开挖和支护过程中适当改变围岩岩石的整体特性，使围岩应力降低，使围岩应力集中最大的部位向围岩内部转移，改变隧道边壁岩体受力状态，在一定程度上可以削弱岩爆强度甚至消除岩爆。改变围岩整体特性的措施主要有三个方面：一是软化围岩，在隧道开挖后及时对围岩钻孔，该措施效果较好但花费时间和经费，
5、因此用得较少；二是对于干燥围岩段开挖后及时喷水，对围岩进行软化，该措施简单易行，不花费多少时间和经费，但对于吸水性较差的岩石其效果较差；三是高压注水，喷水仅仅是对围岩表面起到软化作用，高压注水可以强制降水注入围岩，既起到钻孔软化又可起到喷水软化的作用，但该方法可能触发围岩失稳，并且花费的时间和费用较多。 1.2 控制围岩的破裂方式 在开挖过程中应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、早封闭、多循环” ，的原则，同时利用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在 2.5m 以内，使围岩逐步破裂释放
6、能量。采取超前钻孔应力解除、松动爆破或震动爆破等方法，可以使围岩应力降低，能量在开挖前释放，但是往往造成施工工期增加。1.3 加固围岩 采用锚喷支护加固处理措施防治岩爆是大量隧道施工所采用的方法2,3,4,5。支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土，再加设锚杆及钢筋网。必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露的时间，减少岩爆的发生和确保人身安全，必要时可采取跳段衬砌。同时应准备好临时钢木排架等，在听到爆裂响声后，立即进行支护，以防发生事故。及时进行短锚杆喷锚临时支护加固，不仅可以降低岩爆产生的可能性，岩爆产生前还会有明
7、显的预兆。 加固的主要作用是止裂，通过锚杆为洞壁围岩提供足够的侧限应力，使脆性岩体产生逐渐破裂而不发生突发性爆裂，使围岩形成破裂即广义上塑性变形圈，提高围岩整体残余强度，围岩应力集中带向内部转移。锚喷的作用主要是控制围岩的破裂方式，使脆性围岩由单轴的突发性破坏变为三轴的逐渐破裂，改善围岩集中应力的分布范围和提高破裂围岩的整体性，控制岩爆的发生、强度和过程，减小岩爆灾害。 根据岩石 Griffith 强度理论，诸如岩体、混凝土类的脆性材料的破坏是由材料内部随机分布的微细观广义裂隙所决定的。在外力作用下材料中存在的裂隙端部会出现高度的应力集中，使裂隙扩展。当外力继续作用做功或岩石内部变形能足够时，
8、裂隙会产生“链式”型张剪性扩展，形成宏观裂隙产生突发性破坏，瞬间释放能量并转化为破坏岩体碎块动能而弹射，即所谓的岩爆。在围岩中置入锚杆，由于其抗拉性、连接性和延性作用，可以动态的调整变形能量的释放方式，既可以使隧道边壁逐渐破裂软化，围岩集中应力向围岩内部转移，又可以使围岩具有限制整体性突发性弹射。在可能产生强烈岩爆的洞段，可以调整锚杆的长度来实现上述目的。 1.4 隧道施工监控量测 隧道施工中及时、准确地掌握围岩变形情况和支护动态，了解围岩和支护应力、应变及其发展趋势具有重要作用，同时还可以及时调整预留沉降量。因此，施工中必须进行监控量测，并可根据量测数据对支护体系及施工方法作出正确评价，并及
9、时采取措施以保证施工和结构安全。2.白石格隧道岩爆工程措施分析 白石格隧道岩爆的预防措施主要有两个方面。一是隧道围岩加固，二是隧道施工监控量测。以下主要对隧道围岩加固措施进行分析。 白石格隧道围岩加固总体方案如下：对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施。对于低岩爆，实施全断面光面爆破开挖；爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水 3 遍，每遍相隔 510min，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于 10m；打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射砼初期支护。对于中等岩爆，除实施全断面光面爆破开挖外，必要时可作 30 50m 超前导洞，导洞直径可不大于 5m，作为岩爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通
10、风、找顶后，洞壁、掌子面撒水 3 遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷射砼初期支护；设置径向系统锚杆；对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体网；进行 3 次三循环喷射砼；格栅钢架支撑等措施。 概括说来，对围岩的初期支护主要是喷射砼、锚固和挂网等工程措施。岩爆地段开挖后，必须及时进行挂网喷锚支护，以达到“以柔克刚”的目的；从另一角度来讲，当挂网喷锚支护作业完成后，即使再产生岩爆活动，它们也构成了“第一道防线” ，不会因此而直接危及到施工人员和设备的安全。 3.白石格隧道锚杆加固围岩措施模拟分析 白石格隧道采用了中空注浆锚杆的方法。中空注浆锚杆采用组合式中空注浆锚杆，由中空锚
11、杆杆体、硬质塑料锚头、止浆塞、垫板螺母组成。中空注浆锚杆采用 YT-28 气腿式风钻钻孔，将锚杆用风钻顶入。用 GZJB 注浆泵压注水泥砂浆,注浆压力 0.30.8Mpa，水灰比控制在0.5:1，压力控制在 0.30.8Mpa。在安装锚杆垫板时应确保垫板与锚杆垂直，并与初喷混凝土面密贴紧压。 根据国内外的经验，岩爆地段中空注浆锚杆不宜过长，一般控制在23.5 米，多呈梅花型布置，密度比普通锚杆大（即密锚） ，因为锚杆间距过大会存在部分未加固区，减弱锚固效果，增大岩爆发生机率，具体锚杆长和间距可视岩爆烈度状况而定。采取密锚的目的在于：一是便于挂网，二是可以防止大块岩爆岩石爆裂松脱、剥离掉块、弹射
12、等现象的发生，三是便于与喷射砼的钢筋网形成系统组合，达到充分加固围岩的作用。 那么，对于白石格隧道来说，合理的锚杆长和间距是多少？本文以下采用数值分析软件，分别就不同锚杆长度和间距进行模拟比较分析，以提出经济合理的控制措施，指导施工。 3.1 计算模型及参数 针对白石格隧道的具体条件，采用 2D- 数值分析软件对锚杆喷射混凝土措施进行模拟分析。选取具有代表性的 ZK120+450 为典型断面进行分析，根据文献1,5锚杆长度多采用 2m-4m，分析时锚杆长度拟定为2m、3m 和 4m，间距 1m、2m 分别进行比较分析。所采用的介质参数如表1 所示。 表 1 各断面模型介质物理力学参数取值表 3
13、.2 计算结果及分析 计算结果表明，锚杆间距为 1m，长度分别为 2m、3m 和 4m 时，除隧道侧壁和顶部的应力集中明显，并且两个隧道之间应力叠加影响较小，其中底部角点应力集中值非常大，但范围非常小。 以隧道外接圆中心为参考，假定在侧壁的 0 度方向，起拱点为 45 度方向和顶部为 90 度方向，在其附近洞壁选取单元，利用计算出的围岩应力分量，计算最大及最小主应力及其两者的差值列于表 2 中，主应力差值与锚杆长度的变化特征见图 1 所示。 表 2 表明：随着锚杆长度的增加，最大主应力降低，其中隧道起拱点降低值最大；随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中隧道侧壁增加值最大；随着锚杆长度的增加
14、，主应力差降低，其中侧壁增加值最大。长度为 4m 时，典型部位平均最大主应力平均值最小，平均最小主应力最大，平均主应力差值最小，说明从技术角度讲 4m 锚杆喷射混凝土效果最好。从图 1 可以看出锚杆长度从 2m 变化到 3m，再从 3m 变化到 4m 时，并非成线性关系，在 3m 处直线斜率变小，说明锚杆长度从 2m 增加到 3m时围岩应力状态的改善效果明显，锚杆长度从 3m 增加到 4m 时围岩应力状态的改善效果大为降低，综合技术与经济考虑，采用长度 3m 的锚杆进行锚喷最好。 表 2 锚杆间距 1m 时锚喷支护隧道边壁主应力计算结果 图 1 典型部位主应力差随锚杆长度的变化（1m 间距）
15、锚杆间距为 2m，长度分别为 2m、3m 和 4m 时，计算结果列于表 3 中。由表 3 结果可知：随着锚杆长度的增加，侧壁和起拱点最大主应力降低，其中隧道起拱点降低值较大，顶部的最大主应力增加；随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中隧道侧壁增加值最大，约为起拱点和顶部增加值的两倍，说明随着锚杆长度的增加，对改善壁应力效果明显；随着锚杆长度的增加，侧壁和起拱点的主应力差降低，其中侧壁降低值较大，顶部主应力增加达 9MPa。采用不同的锚杆长度在隧道的不同的部位影响不完全相同，说明采用 2m 间距锚杆进行喷锚支护加固围岩，局部会存在松动区，不能整体加固围岩。 表 3 间距 2m 锚喷情况隧道边壁
16、主应力计算结果 上述两种锚杆间距三种锚杆长度的锚喷措施对改善围岩应力状态的结果综合分析，列于表 4。 表 4 隧道边壁应力状态改善结果 从表 4 中可以看出间距 1m 的锚喷措施平均最大主应力降低了2.9MPa，平均最小主应力增加了 5.5MPa，主应力差降低了 8.7MPa；间距2m 的锚喷措施平均最大主应力降低了 0.7MPa，平均最小主应力增加了4.5MPa，主应力差降低了 2.4MPa。将锚杆间距从 1m 变化到 2m，其加固效果降低明显，考虑开挖应力集中影响，可能达到 10Mpa 以上，因此宜采用间距 1m 的锚杆进行围岩加固。 根据上述分析，在岩爆防治时，综合技术经济考虑，采用间距
17、 1m，长 3m 的锚杆加固围岩是最合理的。 4.结束语 本文通过调查研究，理论分析总结、现场实测及模拟分析，以白石格隧道为背景，对较高地应力下深埋长隧道的施工过程中岩爆施工控制进行了研究，主要结论为： 4.1 采用喷锚支护防治岩爆的工程措施效果良好，加固围岩是切实可行的。 4.2 岩爆地段中空注浆锚杆不宜过长，一般控制在 23.5 米，最优锚杆的长度以 3m 为宜，再加长锚杆，既不经济且改善围岩应力状态效果明显降低，采用间距过大的锚杆加固围岩时，会存在部分未加固区。综合技术经济考虑，采用间距 1m 长度 3m 的锚杆加固围岩最合适。 4.3 该结果是针对白石格隧道特有的凝灰熔岩进行分析得到，
18、岩性不同，岩体结构不同可能会存在一定差异，还需要进一步研究不同岩性、不同岩体结构的围岩达到充分论证该结果的普适性。 参考文献: 1 张镜剑,傅冰骏. 岩爆及其判据和防治J,岩石力学与工程学报,2008,27(10)：20342042. 2 徐则民,黄润秋.长大隧道岩爆灾害研究进展J,自然灾害学报，2004,13(2):16-24. 3 徐士良,朱合华,丁文其等. 秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施J,岩土力学,2009，30(6):1759-1763. 4 周德培,洪开荣.太平驿隧洞岩爆特征及防治措施J, 岩石力学与工程学报,1995,14(2):171-178 5 徐林生. 二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施的研究J,土木工程学报,2004,37(1):61-64.
